科技日报记者 符晓波
海洋是人类活动的重要场所，例如海上钻井、水上发电、水产养殖等，而这些活动不可避免会受到浪潮活动的制约，如果能灵活控制水波传播方向，减少水波对相关设备的侵袭，将极大便利人类活动，对海洋环境保护也有积极意义。近日，厦门大学陈焕阳教授课题组借鉴人工表面等离激元的理论方法，在水波局域现象研究取得重要突破，提出水波极化激元新概念，并通过设计的超材料结构实现水波的单向传播。国际期刊《物理评论快报》对相关成果进行了报道。
(a)螺旋桨(顺时针旋转)靠近一维凹槽阵列(1cm)的水波振幅分布图；(b)螺旋桨(逆时针旋转) )靠近一维凹槽阵列(1cm)的水波振幅分布图。厦门大学陈焕阳教授课题组供图
研究人员发现，横磁场模式的麦克斯韦方程组和表面水波的亥姆霍兹方程具有相似性，通过对比发现介电常数张量和水深张量相互对应，因此可以通过控制不同地方的水深来实现不同的折射率分布。但该类比具有一定的局限性，只适用于均匀的重力系统。为了求解更加复杂的水波系统，研究人员推导出了一般情况下的浅水波动方程，它不仅适用各向异性且非均匀的水深，也适用非均匀重力系统。
研究中，他们提出并设计了一种一维凹槽阵列，首次实现水波局域化和单向传播，并在此基础上，凝练出“负水深”和“水波极化激元”新概念，为变换流体力学提供了新的见解。
(a)具有角动量的水波激发单向传播水波示意图；(b)实验使用的一维凹槽阵列结构。厦门大学陈焕阳教授课题组供图
“该装置可以等效为各向异性水深和负水深。”陈焕阳解释，该研究将电磁波中激发单向传播的等离激元方法推广到水波中，激发出单向传播的水波。金属之所以能在其表面激发出高度局域化的等离激元，是因为金属在特定频段的介电常数为负数，但是自然界中没有“负”水深的存在，而研究人员通过研究发现由刚体构成的一维凹槽阵列可以等效为负的水深，从而可以激发出单向传播的水波。
这项研究成果表明，水波可被信息化，有可能实现水波单向传输和水体净化等重要应用，同时具有潜在的海洋运输价值。
